DE4432859A1 - Strong flexible symmetrical aromatic polyamide micro-filtration membrane prodn. - Google Patents
Strong flexible symmetrical aromatic polyamide micro-filtration membrane prodn.Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Mikrofiltrationsmembranen auf der Basis von aromatischem Polyamid und ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to microfiltration membranes based on aromatic polyamide and a process for their preparation according to Preamble of claim 1.
Für die Herstellung von Mikrofiltrationsmembranen sind eine ganze Reihe geeigneter Polymere im Einsatz. Ein Hauptanwendungsgebiet für solche Membranen liegt in der Filtration wäßriger Medien, was bedingt, daß solche Membranen hydrophil, d. h. mit Wasser spontan benetzbar sein müssen, um damit gute Filtrationseigenschaften zu erhalten und diese Membranen auf ihre Tauglichkeit in situ testen zu können. Die Hydrophilie solcher Membranen muß auch nach vielfacher Sterilisation durch strömenden Heißdampf erhalten bleiben. Viele Polymere scheiden nach diesem Kriterium schon wegen mangelnder Hydrophilie aus, wie beispielsweise Polypropylen oder Polysulfon. Diese Polymere sind nur durch mehr oder weniger aufwendige Modifizierungsprozesse ausreichend hydrophil zu erhalten. Andere Polymere, die an sich hydrophil sind, beispielsweise aliphatische Polyamide (PA 66, PA 6, PA 46), weisen den Nachteil auf, daß sie unter Bedingungen der Dampfsterilisation in Gegenwart schon geringer Spuren von Sauerstoff angegriffen werden und verspröden. Membranen aus Polyester oder Celluloseacetat erweisen sich schon gegenüber dem Angriff schwacher Säuren oder Laugen als instabil.There are quite a few for the production of microfiltration membranes suitable polymers in use. A main area of application for such Membranes lie in the filtration of aqueous media, which means that such Membranes hydrophilic, i. H. must be spontaneously wettable with water in order to to get good filtration properties and these membranes on their To be able to test suitability in situ. The hydrophilicity of such membranes must also be obtained after multiple sterilization by flowing superheated steam stay. Many polymers differ based on this criterion lack of hydrophilicity, such as polypropylene or polysulfone. These polymers are only more or less complex Modification processes to get sufficiently hydrophilic. Other polymers, which are inherently hydrophilic, for example aliphatic polyamides (PA 66, PA 6, PA 46) have the disadvantage that under the conditions of Steam sterilization in the presence of even slight traces of oxygen be attacked and become brittle. Membranes made of polyester or Cellulose acetate already shows itself against the attack of weak acids or bases as unstable.
Andererseits sind Membranen aus aromatischem Polyamid für ihre hohe Hydrophilie und ihre gute chemische Beständigkeit bekannt. Ein Nachteil daraus gefertigter Mikrofiltrationsmembranen lag bisher darin, daß sie nicht ohne Zuhilfenahme von Weichmachern zur Verwendung in Filterkerzen plissiert werden konnten, da die Membranen in trockenem Zustand so spröde sind, daß sie schon beim Falten brechen.On the other hand, membranes are made of aromatic polyamide for their high Hydrophilicity and its good chemical resistance are known. A disadvantage microfiltration membranes made therefrom has so far been such that they do not without the use of plasticizers for use in filter cartridges could be pleated because the membranes are so brittle when dry are that they break when they fold.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Membran aus aromatischem Polyamid zur Verfügung zu stellen, welche ohne nachträglichen Zusatz eines Weichmachers, wie beispielsweise Glycerin, und ohne Zuhilfenahme von Trägermaterialien bzw. Verstärkungsmaterialien eine so hohe Festigkeit und Flexibilität aufweist, daß sie sich als relativ dünne Membran gut plissieren und zu Filterkerzen verarbeiten läßt.The invention was therefore based on the object of a membrane to provide aromatic polyamide, which without subsequent Addition of a plasticizer, such as glycerin, and without With the help of carrier materials or reinforcing materials high strength and flexibility that it turns out to be relatively thin Pleat the membrane well and process it into filter candles.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Membran ist Gegenstand des Patentanspruchs 13.In terms of the method, the object is achieved with the features of patent claim 1 solved. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. The membrane according to the invention is the subject of claim 13.
Die prinzipiellen Verfahrensschritte sowie die Zusammensetzung der Gießlösungen, mit Ausnahme der Zugabe hochmolekularen Polyvinylpyrrolidons (PVP) sind im Stand der Technik bereits bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 40 02 386. PVP ist als Hilfsmittel bei der Herstellung von Polysulfon und Polyethersulfonmembranen ebenfalls bekannt (DE-OS 38 02 030 A1). Bei diesem Polymer werden sie jedoch eingesetzt, um die Hydrophilie der Membran zu verbessern. Bei der Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen aus aromatischem Polyamid ist der Einsatz von PVP ebenfalls bekannt (DE 39 03 098 A1). Da in dieser Schrift nach dem Phaseninversionsverfahren gefällt wird, werden jedoch asymmetrische Membranen gebildet, deren Stabilität über die Skinschicht vermittelt wird.The basic process steps and the composition of the Casting solutions, with the exception of adding high molecular weight Polyvinyl pyrrolidones (PVP) are already known in the prior art, for example from DE-OS 40 02 386. PVP is an aid to Manufacture of polysulfone and polyethersulfone membranes also known (DE-OS 38 02 030 A1). In this polymer, however, they are used to to improve the hydrophilicity of the membrane. In the manufacture of The use of PVP is ultrafiltration membranes made from aromatic polyamide also known (DE 39 03 098 A1). Because in this document after the Phase inversion process is felled, however, will be asymmetrical Membranes formed, the stability of which is mediated by the skin layer.
Das Verfahren sieht vor, daß zunächst eine Gießlösung mit Polyamid, Lösungsmittel, Nichtlöser, PVP und Lithiumchlorid gebildet wird. Wichtig ist dabei, daß das PVP ein hohes mittleres Molekulargewicht (< 50 000) (Zahlenmittel) aufweist. Als Lösungsmittel dienen vorzugsweise Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid (DMAc) und N- Methylpyrrolidon (NMP) oder ein beliebiges Gemisch derselben, vorzugsweise aber ein Gemisch aus Dimethylacetamid und Dimethylformamid bzw. Dimethylacetamid und N-Methylpyrrolidon. Das PVP wird der Lösung in Anteilen von vorzugsweise 0,2 bis 5 Gewichtsprozent zugesetzt. Da in der vorliegenden Anmeldung, anders als in der DE 39 03 098 A1, wo asymmetrische Ultrafiltrationsmembranen erhalten werden, eine symmetrische Mikrofiltrationsmembran gebildet werden soll, muß zusätzlich noch ein Nichtlösungsmittel für das aromatische Polyamid, entweder Ethylenglykol oder Glycerin, in Anteilen von vorzugsweise 5 bis 25 Gewichtsprozent zugesetzt werden. Der Anteil des Lithiumchlorids an der Gießlösung beträgt vorzugsweise 5 bis 100% des Polyamidanteils, wobei sich der Polyamidanteil bis auf 25 Gewichtsprozent, vorzugsweise 8 bis 20 Gewichtsprozent belaufen kann.The process provides that a casting solution with polyamide, Solvent, non-solvent, PVP and lithium chloride is formed. Important is that the PVP has a high average molecular weight (<50,000) (Number average). Preferably serve as solvent Dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) and N- Methyl pyrrolidone (NMP) or any mixture thereof, preferably but a mixture of dimethylacetamide and dimethylformamide or Dimethylacetamide and N-methylpyrrolidone. The PVP will be the solution in Proportions of preferably 0.2 to 5 percent by weight are added. Because in the present application, unlike in DE 39 03 098 A1, where Asymmetric ultrafiltration membranes are obtained, a symmetrical Microfiltration membrane is to be formed, must also an Non-solvent for the aromatic polyamide, either ethylene glycol or Glycerin, in proportions of preferably 5 to 25 percent by weight will. The proportion of lithium chloride in the casting solution is preferably 5 to 100% of the polyamide content, the polyamide content up to 25 percent by weight, preferably 8 to 20 percent by weight can.
Die gebildete Gießlösung, welche vorzugsweise eine Viskosität von 15 bis 30 Pas aufweisen soll, wird sodann auf eine Unterlage, beispielsweise eine Glas- oder Metallplatte, mit Hilfe eines Rakelmessers aufgetragen und zu einer Filmdicke von ca. 50 bis 300 µm ausgezogen. Diese Filmschicht wird sodann in einer ersten Stufe über mehrere Minuten, vorzugsweise 5 bis 15 Minuten, mit Luft von einer relativen Feuchte von vorzugsweise 80 bis 100 Prozent bei 15-30°C, vorzugsweise 20°C in Kontakt gebracht. Nach dem Eintrüben der Membran wird die Platte dann sehr schnell in ein Wasserbad (ca. 20°C) getaucht. Während dieser zweiten Stufe wird die Membranstruktur endgültig gebildet und verfestigt. Die Membraneigenschaften der so erhaltenen Membran können über die Verweilzeit an feuchter Luft in weiten Bereichen beeinflußt werden. Hier zeigt sich ein Unterschied zu den nach dem bisherigen Stand der Technik hergestellten Membranen, wo die Porengröße der Membran über das Mischungsverhältnis zweier Lösungsmittel, z. B. DMF und DMAc, gesteuert wurde. The casting solution formed, which preferably has a viscosity of 15 to 30 Pas should then be placed on a base, for example a glass or metal plate, applied with the help of a doctor knife and to a Film thickness of about 50 to 300 microns extended. This film layer is then in a first stage over several minutes, preferably 5 to 15 minutes, with air of a relative humidity of preferably 80 to 100 percent 15-30 ° C, preferably 20 ° C brought into contact. After the clouding of the Membrane, the plate is then very quickly placed in a water bath (approx. 20 ° C) submerged. During this second stage, the membrane structure becomes final formed and solidified. The membrane properties of the membrane thus obtained can be influenced in large areas by the dwell time in moist air will. This shows a difference to that according to the previous status of Technology manufactured membranes, where the pore size of the membrane over the Mixing ratio of two solvents, e.g. B. DMF and DMAc controlled has been.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu den Membranen im Stand der Technik besteht darin, daß eine weitaus feinzelligere Schaumstruktur der Membran erzeugt wurde. In der vorliegenden Anmeldung wird zwischen Membranzellen, das sind die mehr oder weniger kugelförmigen Hohlräume im Innern der Membran, welche jeweils durch dünne Wände aus dem Polymermaterial von den benachbarten Zellen getrennt sind, und Poren unterschieden. Da es sich bei Mikrofiltrationsmembranen jeweils um eine offenporige Schaumstruktur handelt, sind diese Zellen auch untereinander verbunden. Die Verbindungsstellen, welche Löcher in den Polymerwänden zwischen den Zellen darstellen, sind in der vorliegenden Anmeldung die Poren.Another significant difference to the membranes in the prior art Technology is that a far more fine-celled foam structure of the Membrane was generated. In the present application, between Membrane cells are the more or less spherical cavities in the Inside of the membrane, which is separated by thin walls from the Polymer material is separated from the neighboring cells, and pores distinguished. Since microfiltration membranes are each one open-cell foam structure, these cells are also among themselves connected. The junctions, which holes in the polymer walls between the cells are in the present application Pores.
Bei den erfindungsgemäßen Membranen zeigt es sich überraschenderweise, daß durch den Zusatz von hochmolekularem PVP die mechanischen Eigenschaften der Membranen aus aromatischem Polyamid, insbesondere die Reißdehnung und Faltbeständigkeit, stark verbessert werden konnten. Diese Verbesserung der Membraneigenschaften ist auch insofern überraschend, als auch nach intensivem Auswaschen der Membranen und nach vielfacher Dampfsterilisation die guten mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben, obwohl dadurch der größte Teil des PVP herausgelöst wird. Die Membranen brechen auch nach Extraktion oder Dampfsterilisation nicht mehr beim Falten. Während für Membranen nach dem bisherigen Stand der Technik Glycerin als Weichmacher in einem Nachbehandlungsschritt für diesen Zweck Verwendung fand, kann bei den erfindungsgemäßen Membranen darauf verzichtet werden. Glycerin kann aber, wie oben beschrieben, bei der Herstellung der Membran als Nichtlöser für das aromatische Polyamid eingesetzt werden.In the membranes of the invention it surprisingly shows that by adding high molecular weight PVP the mechanical properties of aromatic polyamide membranes, especially elongation at break and folding resistance, could be greatly improved. This improvement The membrane properties are also surprising in that as well intensive washing of the membranes and after multiple steam sterilization the good mechanical properties are retained, although this means that most of the PVP is extracted. The membranes also break open Extraction or steam sterilization no longer when folding. While for Prior art membranes glycerin as plasticizer used in a post-treatment step for this purpose can at the membranes according to the invention can be dispensed with. Glycerin can but, as described above, in the manufacture of the membrane as a non-solvent be used for the aromatic polyamide.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die damit erhaltenen Membranen werden im folgenden anhand der Beispiele und der Abbildungen näher erläutert.The method according to the invention and the membranes obtained therewith are explained in more detail below using the examples and the illustrations.
Durch Auflösen von 10 Gewichtsteilen aromatischem Polyamid (DuPont Nomex®-Fasern, Typ 450) und 3,5 Gewichtsteilen Lithiumchlorid in 19,5 Gewichtsteilen Dimethylacetamid (DMAc) und 29,2 Gewichtsteilen Dimethylformamid (DMF) wurde ein Polymerkonzentrat hergestellt. Es wurde eine zweite Lösung hergestellt, welche 2 Gewichtsteile PVP (MG 360 000), 8,3 Gewichtsteile DMAc, 12,5 Gewichtsteile DMF und 15 Gewichtsteile Ethylenglykol enthielt.By dissolving 10 parts by weight of aromatic polyamide (DuPont Nomex® fibers, type 450) and 3.5 parts by weight of lithium chloride in 19.5 Parts by weight of dimethylacetamide (DMAc) and 29.2 parts by weight Dimethylformamide (DMF) was made into a polymer concentrate. It was produced a second solution, which 2 parts by weight of PVP (MG 360 000), 8.3 parts by weight of DMAc, 12.5 parts by weight of DMF and 15 parts by weight Contained ethylene glycol.
Das Ansetzen der Lösungen fand jeweils bei einer Temperatur von 80°C statt. Es wurde so lange gerührt, bis klare Lösungen erhalten wurden. Danach wurden die beiden Lösungen abkühlen gelassen und im Verhältnis von 53,2 Gewichtsteilen der ersten Lösung zu 37,8 Gewichtsteilen der zweiten Lösung miteinander vermischt, bis ebenfalls wieder eine klare Lösung erhalten wurde. Es erwies sich dabei als zweckmäßig, die erste Lösung vorzulegen und sodann die zweite Lösung langsam über einen Zeitraum von ca. zwei Stunden hinzuzugeben, um Ausfällungen schwer löslicher Polymerbestandteile zu vermeiden. Danach wurde die fertige Polymerlösung auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Lösung blieb weiterhin klar und konnte nun zur Membranherstellung eingesetzt werden. Diese Gießlösung wies dann folgende Zusammensetzung auf: aromatisches Polyamid 9,4 Gew.-%, Lösungsmittel 68,64 Gew.-%, PVP 2,2 Gew.-%, Ethylenglykol 16,48 Gew.-% und LiCl 3,24 Gew.-%.The solutions were prepared at a temperature of 80 ° C. The mixture was stirred until clear solutions were obtained. After that the two solutions were allowed to cool and at a ratio of 53.2 Parts by weight of the first solution to 37.8 parts by weight of the second solution mixed together until a clear solution was also obtained again. It turned out to be useful to present the first solution and then the second solution slowly over a period of about two hours to add precipitates of poorly soluble polymer components avoid. The finished polymer solution was then brought to room temperature let cool. The solution remained clear and could now Membrane production can be used. This casting solution then showed the following Composition on: aromatic polyamide 9.4% by weight, solvent 68.64% by weight, PVP 2.2% by weight, ethylene glycol 16.48% by weight and LiCl 3.24% by weight.
Mit dieser Lösung wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, indem jeweils ein Teil dieser Gießlösung mit einem Rakelmesser auf einer Glasplatte zu einem Film mit 200 µm Dicke ausgestrichen wurde. Mit Hilfe eines Klimagerätes wurde über diesen Lösungsfilm Luft mit 95% relativer Feuchte bei einer Temperatur von 25°C mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min. geblasen. Dabei wurde die Trübung der Polymerlösung beobachtet und nach einer bestimmten Zeit die Glasplatte mit der Polymerlösung in Wasser von 20°C eingetaucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 wiedergegeben. With this solution, a series of tests was carried out by Part of this casting solution with a doctor knife on a glass plate into one Film with a thickness of 200 µm was spread out. With the help of an air conditioner Was air with 95% relative humidity at a Temperature of 25 ° C at a speed of 0.5 m / min. blown. The turbidity of the polymer solution was observed and after one certain time the glass plate with the polymer solution in water of 20 ° C immersed. The results are shown in Table 1 below.
Die Membrandicke der fertigen Membran betrug 100 µm. Von der mit einem Stern gekennzeichneten Membran wurden REM-Aufnahmen des Membranquerschnitts angefertigt, die in den Fig. 1a-d dargestellt sind.The membrane thickness of the finished membrane was 100 µm. SEM images of the membrane cross-section were taken from the membrane marked with an asterisk and are shown in FIGS . 1a-d.
Analog Beispiel 1 wurde eine Lösung aus 9 Gew.-% aromatischem Polyamid, 2,7 Gew.-% LiCl, 64,3 Gew.-% DMAc, 22 Gew.-% Ethylenglykol und 2 Gew.-% PVP (MG 360 000) hergestellt.Analogously to Example 1, a solution of 9% by weight of aromatic polyamide was 2.7% by weight of LiCl, 64.3% by weight of DMAc, 22% by weight of ethylene glycol and 2 % By weight of PVP (MW 360,000).
Mit dieser Lösung wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, in welcher jeweils ein Teil dieser Lösung mit einem Rakelmesser auf einer Glasplatte zu einem Film mit 200 µm Dicke ausgestrichen wurde. Mit Hilfe eines Klimagerätes wurde über diesen Lösungsfilm Luft mit 95% relativer Feuchte bei einer Temperatur von 25°C mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min. geblasen. Dabei wurde jeweils die Trübung der Polymerlösung beobachtet und nach einer bestimmten Zeit die Glasplatte mit der jeweiligen Polymerlösung in Wasser von 20°C eingetaucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 wiedergegeben.A test series was carried out with this solution, in each of which part of this solution with a doctor knife on a glass plate into one Film with a thickness of 200 µm was spread out. With the help of an air conditioner Was air with 95% relative humidity at a Temperature of 25 ° C at a speed of 0.5 m / min. blown. The turbidity of the polymer solution was observed and after one certain time the glass plate with the respective polymer solution in water immersed at 20 ° C. The results are shown in Table 2.
Gemäß Beispiel 3 der DE 39 03 098 A1 wurde eine Lösung aus 7 Gew.-% aromatischem Polyamid (Nomex Trp 450), 3,1 Gew.-% PVP K 30 und 3,2 Gew.-% Calciumchlorid in 86,7 Gew.-% N-Methylpyrrolidon hergestellt. Die Polymerlösung wurde mit Hilfe eines Rakelmessers auf einer Glasplatte zu einem Film von 200 µm Dicke ausgegossen. Durch sofortiges Eintauchen der beschichteten Glasplatte in Wasser bei 14°C wurde das Polymer koaguliert. Die entstandene Membran besaß eine außergewöhnlich schwache mechanische Festigkeit und konnte daher nicht weiter untersucht werden. According to Example 3 of DE 39 03 098 A1, a solution of 7% by weight aromatic polyamide (Nomex Trp 450), 3.1% by weight PVP K 30 and 3.2 % By weight calcium chloride in 86.7% by weight N-methylpyrrolidone. The Polymer solution was added to a glass plate using a doctor knife poured a film of 200 microns thick. By immediately immersing the coated glass plate in water at 14 ° C, the polymer was coagulated. The resulting membrane had an exceptionally weak mechanical Strength and could therefore not be investigated further.
Es wurde die gleiche Polymerlösung wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel hergestellt, jedoch unter Verwendung von Dimethylacetamid anstelle von N- Methylpyrrolidon als Lösungsmittel. Die entstandene Membran wurde in Wasser ausgewaschen. Die Membran war mechanisch etwas stabiler als die in dem vorhergehenden Beispiel beschriebene. Von der erhaltenen Membran wurden rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen hergestellt, welche in den Fig. 2a, b wiedergegeben sind. Aus den Aufnahmen ist zu ersehen, daß es sich um eine asymmetrische Membran mit einseitiger Skinschicht und mit fingerartigen Hohlräumen in der Membranstruktur handelt. Diese Membran ist somit auch nicht zur Mikrofiltration geeignet, sondern kann nur für Ultrafiltrationszwecke eingesetzt werden.The same polymer solution as in the previously described example was prepared, but using dimethylacetamide instead of N-methylpyrrolidone as solvent. The resulting membrane was washed out in water. The membrane was mechanically somewhat more stable than that described in the previous example. Scanning electron micrographs of the membrane obtained were produced, which are shown in FIGS. 2a, b. From the photographs it can be seen that it is an asymmetrical membrane with a skin layer on one side and with finger-like cavities in the membrane structure. This membrane is therefore not suitable for microfiltration, but can only be used for ultrafiltration purposes.
Es wurde eine Membran gemäß Beispiel 1 der DE 40 02 386 hergestellt. Die erhaltene Membran wies einen Blaspunkt von 2,7 bar, einen Wasserdurchfluß von 35,2 ml/cm² min bar auf. Die Membran hatte eine Dicke von 95 µm. Es wurden REM-Aufnahmen des Membranquerschnitts angefertigt. Diese sind in den Fig. 3a, b wiedergegeben.A membrane according to Example 1 of DE 40 02 386 was produced. The membrane obtained had a blowing point of 2.7 bar and a water flow of 35.2 ml / cm 2 min bar. The membrane had a thickness of 95 µm. SEM images of the membrane cross section were taken. These are shown in FIGS . 3a, b.
Die mechanischen Eigenschaften wurden mit denen der Membran des Beispiels 1 (erfindungsgemäße Membran) verglichen. Als Parameter wurden der Berstdruck, die Reißkraft, die Reißdehnung und die Weiterreißfestigkeit bestimmt.The mechanical properties were the same as that of the membrane of the example 1 (membrane according to the invention) compared. The parameters were the Bursting pressure, tensile strength, elongation at break and tear resistance certainly.
Die Untersuchungen wurden gemäß DIN 53 455 durchgeführt. Die Membranproben bestanden aus Streifen von 14 cm Länge und 3 cm Breite. Die Membranproben hatten eine Dicke von jeweils ca. 100 µm. In Vorversuchen wurde festgestellt, daß die mechanischen Eigenschaften der Membranen in Quer- und Längsrichtung in Bezug auf den Herstellungsprozeß keine wesentlichen Unterschiede aufwiesen, die Membranen also ein isotopes Festigkeitsverhalten zeigten.The tests were carried out in accordance with DIN 53 455. The Membrane samples consisted of strips 14 cm long and 3 cm wide. The Membrane samples were approx. 100 µm thick. In preliminary tests it was found that the mechanical properties of the membranes in Transverse and longitudinal direction in relation to the manufacturing process none showed significant differences, ie the membranes are isotopes Showed strength behavior.
Zur Messung von Reißkraft und Reißdehnung wurde jeweils ein solcher Membranstreifen so in eine Meßapparatur eingespannt, daß die Länge der zu messenden Membran 10 cm betrug. Die Meßgeschwindigkeit betrug 1 mm/sec. Es wurde jeweils die Kraft und die Dehnung bestimmt, bei der die Membran zerriß.One was used to measure tensile strength and elongation at break Membrane strips clamped in a measuring apparatus so that the length of the measuring membrane was 10 cm. The measuring speed was 1 mm / sec. The force and the elongation were determined at which the membrane tore.
Die Weiterreißfestigkeit wurde bezüglich der Reißkraft und der Reißdehnung entsprechend der vorher beschriebenen Vorgehensweise gemessen. Zuvor wurde jeweils der zu messende Membranstreifen in der Mitte des Prüfstückes mit einer Schere 5 mm weit rechtwinklig zur Kante eingeschnitten.The tear strength was determined in terms of tear strength and elongation at break measured according to the previously described procedure. Before was the membrane strip to be measured in the middle of the test piece Cut with scissors 5 mm at right angles to the edge.
Aus den Membranen wurden kreisrunde Scheiben mit 50 mm Durchmesser ausgestanzt. Diese Membranscheiben wurden jeweils in einen Membranhalter eingelegt, und mit einer Metallscheibe abgedeckt, die in der Mitte ein Loch mit 10 mm Durchmesser enthielt. Die Membran wurde von der Rückseite her mit Preßluft beaufschlagt, mit einer Drucksteigerung von 1 bar/min.Circular discs with a diameter of 50 mm were made from the membranes punched out. These membrane discs were each in a membrane holder inserted, and covered with a metal washer, a hole in the middle with a diameter of 10 mm. The membrane was from the back pressurized with a pressure increase of 1 bar / min.
Aus den Membranen wurde jeweils eine kreisrunde Probe mit 50 mm Durchmesser ausgestanzt. Diese Membranprobe wurde einmal symmetrisch gefaltet und zwischen zwei quadratische Glasplatten mit 10 cm Kantenlänge gelegt. Die obere Glasplatte wurde für eine Minute mit einem Gewicht von 10 kg belastet. Danach wurden die Proben am Lichtmikroskop auf erkennbare Beschädigungen überprüft.A circular sample of 50 mm was made from each of the membranes Punched out diameter. This membrane sample became symmetrical once folded and between two square glass plates with 10 cm edge length placed. The top glass plate was weighing for one minute 10 kg loaded. The samples were then identified on the light microscope Checked for damage.
Da die machanischen Eigenschaften der Polyamid-Membran durch Weichmacher wie Wasser oder Glycerin stark beeinflußt werden können, wurden die Proben wasserfeucht (naß) und trocken (getrocknet und 2 Stunden bei 50% relativer Feuchte bei 20°C konditioniert) sowie mit und ohne Nachbehandlung mit Glycerin (10% bezogen auf Polymergehalt) getestet. In der folgenden Tabelle 3 sind jeweils für den Berstdruck, die Reißkraft, die Reißdehnung und die Weiterreißfestigkeit die Mittelwerte aus 5 Messungen einander gegenübergestellt.Because of the mechanical properties of the polyamide membrane Plasticizers such as water or glycerin can be greatly influenced, the samples were water wet (wet) and dry (dried and 2 hours conditioned at 50% relative humidity at 20 ° C) and with and without Aftertreatment with glycerin (10% based on polymer content) tested. In the following Table 3 are for the burst pressure, the tensile strength, the Elongation at break and tear strength are the mean values from 5 measurements juxtaposed.
Aus der Tabelle läßt sich erkennen, daß die Reißdehnung und somit die Verformbarkeit der Membran gemäß Beispiel 1 in nassem Zustand wesentlich größer ist als bei der gemäß obigem Beispiel hergestellten Vergleichsmembran. Im Falttest war die Probe nach dem Vergleichsbeispiel ohne Glycerinimprägnierung total gebrochen, während die Probe mit Glycerinimprägnierung (10%) auf der Außenkante feine Risse aufwies. Demgegenüber waren beide Proben gemäß Beispiel 1 völlig in Ordnung.From the table it can be seen that the elongation at break and thus the Deformability of the membrane according to Example 1 in the wet state is essential is larger than in the comparison membrane produced according to the example above. In the folding test, the sample according to the comparative example was without Glycerin impregnation totally broken while using the sample Glycerin impregnation (10%) showed fine cracks on the outer edge. In contrast, both samples according to Example 1 were completely in order.
Vergleich der Membran-Porenstrukturen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 5 anhand von REM-Aufnahmen:Comparison of the membrane pore structures according to Example 1 and Example 5 based on SEM images:
Beide Membranproben wurden mit flüssigem Stickstoff eingefroren und dann in der Kälte gebrochen. Dadurch wurde sichergestellt, daß die Porenstruktur der Membranproben weitgehend unverfälscht beobachtet werden konnte. Die Proben wurden, wie nach dem Stand der Technik bekannt, mit Gold besputtert und dann im Rasterelektronenmikroskop untersucht. In den Figuren werden jeweils Aufnahmen der Membranquerschnitte wiedergegeben.Both membrane samples were frozen with liquid nitrogen and then broken in the cold. This ensured that the pore structure of the membrane samples was largely unadulterated. The Samples were sputtered with gold, as is known in the art and then examined in a scanning electron microscope. In the figures reproduced images of the membrane cross-sections.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1a den Querschnitt der erfindungsgemäßen Membran gemäß Beispiel 1 in 350-facher Vergrößerung; Figure 1a shows the cross section of the membrane according to the invention according to Example 1 in 350 times magnification.
Fig. 1b den Querschnitt der erfindungsgemäßen Membran gemäß Beispiel 1 in 1000-facher Vergrößerung; FIG. 1b shows the cross section of the membrane of the invention according to Example 1 in 1000 times magnification;
Fig. 1c den Querschnitt der erfindungsgemäßen Membran gemäß Beispiel 1 in 5000-facher Vergrößerung; FIG. 1c is the cross section of the membrane of the invention according to Example 1 in 5000 times magnification;
Fig. 1d den Querschnitt der erfindungsgemäßen Membran gemäß Beispiel 1 in 10 000-facher Vergrößerung; Fig. 1d the cross section of the membrane of the invention according to Example 1 in 10 000 times magnification;
Fig. 2a den Querschnitt der Membran nach dem Stand der Technik gemäß Beispiel 4 in 350-facher Vergrößerung; Fig. 2a shows the cross section of the membrane according to the prior art according to Example 4 × 350 in magnification;
Fig. 2b den Querschnitt der Membran nach dem Stand der Technik gemäß Beispiel 4 in 1000-facher Vergrößerung; FIG. 2b shows the cross section of the membrane according to the prior art according to Example 4 times in 1000 magnification;
Fig. 3a den Querschnitt der Membran nach dem Stand der Technik gemäß Beispiel 5 in 350-facher Vergrößerung; FIG. 3a shows the cross section of the membrane according to the prior art according to Example 5 × 350 in magnification;
Fig. 3b den Querschnitt der Membran nach dem Stand der Technik gemäß Beispiel 5 in 1000-facher Vergrößerung. Fig. 3b shows the cross section of the membrane according to the prior art according to Example 5 in 1000 times magnification.
In den Fig. 2a und 2b kann man die für asymmetrische Membranen typischen kavernenartigen Strukturen unterhalb der Skinschicht beobachten. Derartige Strukturen sind für die Aufgabe der erfindungsgemäßen Membranen nicht geeignet.In FIGS. 2a and 2b, one can observe typical of asymmetric membranes cavernous structures below the skin layer. Such structures are not suitable for the task of the membranes according to the invention.
Vergleicht man die Aufnahme der Fig. 1b und 3b miteinander, so erkennt man, daß schon bei 1000-facher Vergrößerung die Zellstruktur der Membran gemäß Beispiel 5 deutlich zu erkennen ist. Die Membranzellen in den Fig. 3a und 3b haben einen Durchmesser von ca. 2 bis 3 µm. Dabei ist zu beachten, daß es sich hier um eine Membran mit einer nominellen Porenweite von ca. 0,2 µm handelt. Die das Separationsverhalten der Membran bestimmenden eigentlichen Poren sind also wesentlich kleiner als die Zellen.If one compares the image of FIGS . 1b and 3b with one another, it can be seen that the cell structure of the membrane according to Example 5 can be clearly seen even at a magnification of 1000 times. The membrane cells in FIGS . 3a and 3b have a diameter of approximately 2 to 3 μm. It should be noted that this is a membrane with a nominal pore size of approx. 0.2 µm. The actual pores that determine the separation behavior of the membrane are therefore significantly smaller than the cells.
Bei der erfindungsgemäßen Membran gemäß Fig. 1b sind bei 1000-facher Vergrößerung die einzelnen Zellen noch nicht erkennbar. Erst bei 5000-facher Vergrößerung gemäß Fig. 1c lassen sich Zellen erkennen, die auf der Abbildung etwa die gleiche Größe haben wie die Zellen gemäß Vergleichsbeispiel 5 (Fig. 3b) bei 1000-facher Vergrößerung. Die Zellen der erfindungsgemäßen Membran sind somit also etwa um den Faktor 5 kleiner als die Zellen der nach Vergleichsbeispiel 5 hergestellten Membran. Die Zellen der erfindungsgemaßen Membran haben einen Durchmesser von ca. 0,5 µm.In the membrane according to the invention according to FIG. 1b, the individual cells are not yet recognizable at a magnification of 1000 times. Only at 5000-fold magnification according to FIG. 1c can cells be recognized which in the illustration have approximately the same size as the cells according to comparative example 5 ( FIG. 3b) at 1000-fold magnification. The cells of the membrane according to the invention are thus approximately 5 times smaller than the cells of the membrane produced according to Comparative Example 5. The cells of the membrane according to the invention have a diameter of approximately 0.5 μm.
Darüberhinaus ist die Struktur der beiden Membranen gemäß der Beispiele 1 und 5 sehr unterschiedlich. Während die Zellen der nach Vergleichsbeispiel 5 hergestellten Membran näherungsweise kugelförmig sind und teilweise geschlossene Wände aufweisen, zeigt die erfindungsgemäße Membran eine dreidimensionale Netzstruktur, bei der die Poren etwa den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Zellen selbst.In addition, the structure of the two membranes is according to Examples 1 and 5 very different. While the cells of the according to Comparative Example 5 membrane produced are approximately spherical and partially have closed walls, the membrane of the invention shows a three-dimensional network structure in which the pores are approximately the same Have diameters like the cells themselves.
Die Strukturunterschiede haben daher auch einen deutlichen Einfluß auf die Eigenschaften der beiden Membrantypen. Da Membranporen bei nach dem Phaseninversionsverfahren hergestellten Membranen nie alle exakt gleich groß sind, sondern immer eine Porengrößenverteilung aufweisen, ist neben der Porengrößenverteilung die Zahl der Porendurchgänge über den Membranquerschnitt von entscheidender Bedeutung für die Rückhaltecharakteristik der Membranen. Je kleiner die Zellengröße einer Membran bei gleicher nomineller Porengröße ist, desto mehr Poren muß ein Partikel passieren, um durch die Membran hindurchzugelangen. Damit steigt aber auch dann die Wahrscheinlichkeit, daß dieses Partikel zurückgehalten wird. Aus diesen Gründen hat die nach Beispiel 1 hergestellte erfindungsgemäße Membran prinzipiell eine bessere Rückhaltecharakteristik als die nach Vergleichsbeispiel 5 hergestellte Membran.The structural differences therefore have a significant influence on the Properties of the two membrane types. Since membrane pores in the after Membranes manufactured in the phase inversion process are never all exactly the same size are, but always have a pore size distribution, is next to the Pore size distribution the number of pore passages over the Membrane cross section crucial for that Retention characteristics of the membranes. The smaller the cell size of one Membrane with the same nominal pore size, the more pores a must Particles pass to get through the membrane. So that increases but even then the likelihood that this particle will be retained becomes. For these reasons, the one made according to Example 1 In principle, the membrane according to the invention has better retention characteristics than the membrane produced according to Comparative Example 5.
Die Unterschiede im mechanischen Verhalten der beiden Membrantypen kann auch aus der unterschiedlichen Membranstruktur abgeleitet werden. Wie oben bereits ausgeführt, weist die Membran gemäß Versuchsbeispiel 5 einen Aufbau mit relativ großen Zellen und großflächigen Membranwänden zwischen diesen Zellen auf. Da aromatisches Polyamid allgemein ein relativ starres Material ist, neigt daher diese Membranstruktur prinzipiell eher dazu, bei mechanischer Belastung wie Dehnung, Stauchung oder Faltung zu brechen. Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Membran gemäß Beispiel 1 eine kompaktere Struktur auf, wobei die bei mechanischer Belastung an den Zellwänden angreifenden Kräfte wesentlich besser auf die gesamte Netzstruktur verteilt werden können, als bei den relativ großflächigen Wänden der Membran gemäß Versuchsbeispiel 5. Dadurch kann diese Membran wesentlich stärker verformt werden, ohne daß die einzelnen Membranwände bis an ihre Reißgrenze belastet wurden. Dies erklärte die insgesamt bessere Reißdehnung der erfindungsgemäßen Membran gegenüber Membranen nach dem Stand der Technik.The differences in the mechanical behavior of the two membrane types can can also be derived from the different membrane structure. As above already stated, the membrane according to experimental example 5 has a structure with relatively large cells and large membrane walls between them Cells on. Since aromatic polyamide is generally a relatively rigid material is therefore, in principle, this membrane structure tends to be more mechanical To break stress such as stretching, compression or folding. In contrast the membrane according to the invention according to Example 1 has a more compact one Structure based on mechanical stress on the cell walls attacking forces distributed much better across the entire network structure can be compared to the relatively large walls of the membrane Experimental example 5. This membrane can be deformed considerably more without stressing the individual membrane walls to their breaking point were. This explained the overall better elongation at break of the membrane according to the invention compared to membranes according to the prior art Technology.
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